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1. (WO2007000144) METHOD AND DEVICE FOR 3D-NAVIGATION ON LAYERS OF IMAGES
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Patentansprüche

1. Verfahren zur Darstellung von 2D-Schichtbildern innerer Strukturen umfassend die Darstellung in den 2D-Schichtbildern
- der körperlichen Ausdehnung eines 3D-Werkzeuges und ggf. dessen Bewegung in den inneren Strukturen und/oder
von Veränderungen an einer oder mehreren inneren Strukturen durch die Einwirkung des Werkzeuges, vorzugsweise beides,
wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst,
- Herstellung eines Datenvolumens definierend die körperliche Ausdehnung der inneren Strukturen durch eine Vielzahl räumlicher Koordinaten und eine Größe, die einem physikalischen Messwert entspricht und jedem durch die Koordinaten beschriebenem Ort zugeordnet ist,
Generieren einer Vielzahl von Volumenelementen aus dem Datenvolumen, wobei
- die Volumenelemente jeweils mit Attributen versehbar sind, und die mit Attributen versehenen Volumenelemente ein 3D-Modell der inneren Strukturen darstellen, und
zumindest ein Attribut die Zugehörigkeit zu einer inneren Struktur kennzeichnet und deren Visualisierung erlaubt, wobei das Attribut unter Verwendung der Größe, die dem physikalischen Messwert entspricht, durch Segmentierung der

Volumenelemente gewinnbar ist,
Erfassen der Raumkoordinaten eines Werkzeuges durch eine elektronische Eingabeeinheit und
Extrahieren und Darstellen von 2D-Schichtbildern beliebiger Lage und Orientie- rung aus dem 3D-Modell unter Abbildung eines Repräsentanten für das Werkzeug bzw. dessen Position,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verfahren weiterhin zumindest folgende Schritte umfasst ausgewählt aus der Gruppe

(a) oder (b), vorzugsweise aus (a) und (b),
(a) Generieren eines Werkzeuges als 3D-Computer-Simulation und Abbildung des Werkzeuges als 3D-0bjekt in dem 2D-Schichtbild einschließlich seiner SD- Ausrichtung in Bezug auf das 2D-Schichtbild
und/oder
(b) Versehen zumindest der Volumenelemente, die die bearbeitbaren Teile der inneren Struktur beschreiben, mit einem Attribut, das den Bearbeitungszustand kennzeichnet,

Bildung einer Schnittmenge der als bearbeitbar ausgezeichneten Volumenelemente und des vom aktiven Bereich des Werkzeugs, wenn im eingeschalteten Betriebszustand, im Laufe des Bearbeitungsvorgangs überdeckten Volumens, und Markieren der Volumenelemente der Schnittmenge durch Zuweisen des Attributs „bearbeitet", und
Darstellen des/der Schnitte durch die mit dem Attribut „bearbeitet" ausgezeichneten Volumenelemente in dem/den 2D-Schichtbild(ern) als markierte Flächen.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe, die dem physikalischen Messwert entspricht, eine Helligkeitsinformation ist, um Volumenelemente bzw. den 2D-Schnitt durch die Volumenelemente mit unterschiedlicher Helligkeit abzubilden, wobei die markierte Fläche die Helligkeit in einer anderen Farbskala gemäß Markie-rung wiedergibt.

3. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Strukturen Körperstrukturen und die zu bearbeitenden / bearbeiteten Teile der inneren Strukturen Knochen, Knorpel und/oder Zähne bzw. deren Teile sind.

4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die 3D-Matrix räumlicher Koordinaten aus Schichtbildern gewonnen werden, wie sie mit medizinischen Bildaufnahmeverfahren wie Computer-Tomographie (CT), Magnetresonanz-Tomographie (MRT), Ultraschall, Positronen-Emissions-Tomographie (PET) oder Kombinationen zugänglich sind.

5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Eingabeeinheit die Raumkoordinaten eines realen Werkzeuges mittels eines Navigationssystems aufnimmt und das Werkzeug durch die abgebildete innere Struktur geführt wird bzw. Teile davon bearbeitet, wobei die Struktur im 3D-Modell einer Abbildung der realen Struktur einschließlich Ihres Bearbeitungszustandes entspricht, und ggf. das reale Werkzeug von dem 3D-Modell eine Information über die Nähe zu einer zu bearbeitenden Struktur oder einer Risikostruktur erhält und dies dem Operateur kenntlich macht.

6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Eingabeeinheit ein 3D-Eingabegerät umfasst, das vorzugsweise eine Kraftrückkopplung auf die Hand des Benutzers ausübt.

7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildung der 2D-Schichtbilder mit einer 3D-Display-Vorrichtung erfolgt, welche Stereobilder darstellt, zur Abbildung des 3D-Werkzeuges, wobei stereoskopische rechte und linke Bilder zumindest des 3D- Werkzeuges angezeigt werden.

8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin ein 3D-Modell korrespondierend mit zumindest einem 2D-Schichtbild dargestellt wird.

9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug im 2D-Schichtbild dargestellt wird, wobei 3D-Ausdehung und Orientierung optisch simuliert sind mit Methoden der Computergraphik.

10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Werkzeugs in Form von den dargestellten 2D-Schichtbildern aufgezeichnet wird, ggf. in Videosequenzen umgewandelt.

11. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dargestellten 2D-Schichtbilder den aktiven Bereich des Werkzeugs schneiden und dessen Bewegung folgen.

12. Vorrichtung, ggf. mehrteilig, zur Darstellung von 2D-Schichtbildern innerer Strukturen umfassend die Darstellung in den 2D-Schichtbildern
- der körperlichen Ausdehnung eines 3D-Werkzeuges und ggf. dessen Bewegung in den inneren Strukturen und/oder
von Veränderungen an einer oder mehreren inneren Strukturen durch die Einwirkung des Werkzeuges, vorzugsweise beides,
wobei die Vorrichtung aufweist,
(i) eine Bildaufnahmevorrichtung zum Aufnehmen und Erzeugen von volumetrischen dreidimensionalen Bilddaten von inneren Strukturen und zum Abgeben der volumetrischen dreidimensionalen Bilddaten,
(ii) eine Datenverarbeitungsanlage umfassend einen Speicher und einen Prozessor und ein Softwareprogramm
- zur Herstellung eines Datenvolumens aus den volumetrischen dreidimensionalen

Bilddaten definierend die körperliche Ausdehnung der inneren Struktur durch eine Vielzahl räumlicher Koordinaten und eine Größe, die einem physikalischen Messwert entspricht und jedem durch die Koordinaten beschriebenem Ort zugeordnet ist,
- zum Generieren einer Vielzahl von Volumenelementen aus dem Datenvolumen, wobei die Volumenelemente jeweils mit Attributen versehbar sind, und die mit Attributen versehenen Volumenelemente ein 3D-Modell der inneren Struktur darstellen, und
zumindest ein Attribut, die Zugehörigkeit zu einer inneren Struktur kennzeich- net und deren Visualisierung erlaubt, wobei das Attribut unter Verwendung der

Größe, die dem physikalischen Messwert entspricht, durch Segmementierung der Volumenelemente gewinnbar ist, und
zum Extrahieren und Darstellen von 2D-Schichtbildern beliebiger Lage und Orientierung aus dem 3D-Modell unter Abbildung eines Repräsentanten für das Werk- zeug bzw. dessen Position,
wobei die Datenverarbeitungsanlage Werkzeuge als 3D-Computer-Simulation vorhält und deren Auswahl ermöglicht,
(iii) eine elektronische Eingabeeinheit zum Erfassen der Raumkoordinaten des Werkzeuges und
(iv) einen Display zur
(a) Abbildung des Werkzeuges als 3D-0bjekt in dem 2D-Schichtbild und der SD- Ausrichtung in Bezug auf das 2D-Schichtbild
und/oder
(b) Darstellen des/der Schnitte durch die mit dem Attribut „bearbeitet" ausge- zeichneten Volumenelemente in dem/den 2D-Schichtbild(ern) als markierte

Flächen, wobei die Datenverarbeitungsanlage Volumenelemente, die die bearbeitete Struktur beschreiben, das Attribut „bearbeitet" zuweist, wenn der aktive Bereich des Werkzeugs im eingeschalteten Betriebszustand die Volumenelemente schneidet.

13. Vorrichtung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe, die dem physikalischen Messwert entspricht, in eine Helligkeitsinformation umgesetzt wird, um Volumenelemente bzw. den Schnitt durch die Volumenelemente mit unterschiedlicher Helligkeit abzubilden, wobei die markierten Flächen die Helligkeit in einer anderen Farbskala gemäß Markierung wiedergeben.

14. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 oder 13 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bildaufhahmevorrichtung eine medizinische Bildaufnahmevorrichtung wie ein Computer-Tomograph (CT), ein Magnetresonanz-Tomograph (MRT), ein Ultraschall-Gerät, ein Positronen-Emissions-Tomograph (PET) ist.

15. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Eingabeeinheit ein Navigationssystem umfasst, das das reale Werkzeug ortet.

16. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Eingabeeinheit ein 3D-Eingabegerät umfasst, das vorzugsweise eine Kraftrückkopplung auf die Hand des Benutzers ausübt.

17. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildung der 2D-Schichtbilder mit einer 3D-Display- Vorrichtung erfolgt, welche Stereobilder darstellt, zur Abbildung des 3D- Werkzeuges, wobei stereoskopische rechte und linke Bilder zumindest des 3D- Werkzeuges angezeigt werden.

18. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Display ein 3D-Modell korrespondierend mit dem zugehörigen 2D-Schichtbild dargestellt wird.

19. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, das die Datenverarbeitungsanlage solche 2D-Schichtbilder generiert, die bei bewegtem Werkzeug stets einen bestimmten Punkt des aktiven Bereichs des Werkzeugs schneiden.